LF爐溫度預(yù)報(bào)與控制模型的開發(fā)及應(yīng)用

摘要：針對(duì)精煉爐處理過程中熱量傳輸?shù)膹?fù)雜瞬變性，逐一分解各個(gè)問題，簡化控制處理邏輯。介紹了影響精煉爐鋼水溫度變化的各種因素，建立一套鋼水溫度預(yù)測(cè)控制模型，并編制成計(jì)算機(jī)模型軟件，誤差控制在±10℃，完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：鋼水溫度;溫度模型;投料

中圖分類號(hào)：TF769? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

LF精煉爐作為煉鋼轉(zhuǎn)爐至連鑄機(jī)中間的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)煉鋼的順利生產(chǎn)制約著轉(zhuǎn)爐連鑄的生產(chǎn)節(jié)奏，而溫度又是煉鋼過程中的重要工藝參數(shù)，故對(duì)鋼水溫度控制的精確性，直接影響連鑄鋼坯的生成和質(zhì)量情況，而LF爐溫度預(yù)報(bào)與控制模型作為溫度控制的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)精煉爐自動(dòng)煉鋼的基礎(chǔ)。現(xiàn)以唐鋼中厚板LF鋼包爐為研究對(duì)象，應(yīng)用冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理、能量守恒和凝固原理、采用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，對(duì)鋼包在LF精煉爐的處理過程中，所涉及到的溫降進(jìn)行研究，分析輔料、合金料、底吹氬氣流量、鋼水進(jìn)站溫度、精煉作業(yè)時(shí)間、電極加熱能量、鋼包的輻射和散射熱等參數(shù)對(duì)LF精煉爐的鋼水目標(biāo)溫度的影響[1]。

1 LF精煉爐溫度預(yù)報(bào)與控制模型的建立

1LF精煉爐溫度預(yù)報(bào)與控制模型的建立依據(jù)能量守恒原理，影響鋼水溫度的參數(shù)有：鋼水作業(yè)處理時(shí)間、電弧加熱進(jìn)入體系的熱量、鋼包表面輻射散熱、加入物料帶入或帶出的體系的熱量、吹氬攪拌帶走的熱量。

1.1電極升溫

通過電極加熱導(dǎo)致溫度升高的計(jì)算公式如下：

△T_（ht_i）=（E_i×E_（eff_i）×t_i）/（w_m×C_（（p，m）） ）×3600×1000

電極加熱升溫帶入的總能量（KWh），Etot = ∑E_i。

式中△Tht_i-電極調(diào)整在i檔位時(shí)，加熱時(shí)間t后導(dǎo)致鋼水的溫度增加量 （℃）; Ei-為電極在i檔位時(shí)的供熱速率（kwh/min）;Eeff_i-為電極i檔位時(shí)的加熱有效系數(shù)（%）;ti 為在i檔位下的加熱時(shí)間（mim）。

1.2物料溫降

加入合金或進(jìn)行喂絲時(shí)，導(dǎo)致溫度損失的計(jì)算公式如下[2]：

△Tinput = （Σ_i×W_i）/W_m ×C_（C，m）×100

式中△T 為加入合金或喂絲時(shí)導(dǎo)致的總溫降 （℃）;Wm為鋼包中鋼水重量 （kg）;Wi為加入的物料重量 （kg）;Cc， m 為物料冷卻系數(shù) （℃/%）

1.3底吹氬氣溫降

通過底吹氬氣導(dǎo)致溫度損失的計(jì)算公式如下：

△Q = Cpgas× Wgas× （Tliquid – Tgas）

△TAr = △Q / （Wm×Cpm）

式中△Q 為底吹氬氣導(dǎo)致鋼水損失的熱量（Joule），Cpgas為氬氣的比熱容（joule/kg-℃），Wgas為底吹氬氣的總重量（kg），Tliquid 為鋼水的溫度（℃），Tgas為氬氣的溫度（℃），Wm為鋼水的重量（kg），Cpm為鋼水的比熱容（Joule/kg-℃）。

1.4鋼包輻射散熱

耐火材料和鋼包外殼導(dǎo)致的溫降計(jì)算公式如下：

△Tladle = Cc，shell× td，? + △Tabnomal

式中△T為耐火材料和鋼包外殼導(dǎo)致的降低的溫度（℃），Cc，shell 為鋼包外殼的冷卻系數(shù)（℃/min），td 為轉(zhuǎn)爐出鋼到當(dāng)前時(shí)間的時(shí)間差（min），△Tabnomal 為異常條件下的溫度損失（（℃/min）。

1.5最終溫度預(yù)測(cè)計(jì)算

由1.1-1.4可知，最終模型計(jì)算的預(yù)測(cè)溫度為當(dāng)前溫度與加熱帶入溫度、投料導(dǎo)致溫降、氬氣底吹導(dǎo)致溫降、鋼包耐火材料及鋼包本身散熱導(dǎo)致的溫降之和，公式如下：

Tcal = Tcurrent + △Tht_i- △Tinput- △TAr - △Tladle

1.6模型計(jì)算流程圖

當(dāng)鋼包進(jìn)站時(shí)，溫度預(yù)測(cè)模型開始啟動(dòng)。模型負(fù)責(zé)計(jì)算溫度的變化，導(dǎo)致溫度改變的條件主要為合金投入、喂絲投入、升溫加熱、底吹氬氣等，當(dāng)進(jìn)行鋼包測(cè)溫，二級(jí)系統(tǒng)接收到測(cè)溫溫度時(shí)，溫度預(yù)測(cè)模型也會(huì)啟動(dòng)計(jì)算。

當(dāng)合金和喂絲投入時(shí)，模型計(jì)算損失的溫度，并對(duì)當(dāng)前預(yù)測(cè)溫度進(jìn)行指導(dǎo)。當(dāng)?shù)状堤幚黹_始和升溫加熱開始后，模型會(huì)計(jì)算吹入使用的氬氣總量導(dǎo)致的溫降及電極加熱帶入的溫度增加量，并以1分鐘為周期進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，以保證預(yù)測(cè)溫度的精度，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果用于生產(chǎn)指導(dǎo)。鋼包進(jìn)站事件處理概況圖如下圖1，計(jì)算流程如下圖2。

2計(jì)算機(jī)軟件的編制

軟件采用C/S架構(gòu)，非控部分程序用C#語言，依托.NET環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，溫度模型控制程序用C++語言，基于MFC類庫進(jìn)行開發(fā)。非控部分的跟蹤模塊負(fù)責(zé)對(duì)鋼包進(jìn)站后的每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤處理，并以事件的形式將與溫度模型有關(guān)的動(dòng)作告知溫度模型控制程序，當(dāng)收到相關(guān)事件后，溫度模型將與溫度計(jì)算相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行有效的篩選組織，帶入核心模塊，進(jìn)行溫度計(jì)算和預(yù)測(cè)，通過與出鋼目標(biāo)溫度和現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)的比較分析，計(jì)算升溫加熱時(shí)間及合金投入量等參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)給PLC系統(tǒng)，同時(shí)將溫度趨勢(shì)圖以圖表形式展現(xiàn)給前臺(tái)HMI界面，便于操作人員對(duì)后續(xù)鋼包狀態(tài)的處理。溫度趨勢(shì)圖如下圖3，其中圖A為氬氣流量趨勢(shì)圖，圖B為溫度趨勢(shì)圖。

3驗(yàn)證結(jié)果

通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)的8爐數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算的最終溫度與鋼水目標(biāo)控制溫度之間的誤差較小，基本控制在±10℃之內(nèi)，證明該模型可以滿足LF精煉爐生產(chǎn)過程對(duì)鋼水溫度預(yù)報(bào)的要求。實(shí)際爐次結(jié)果表如下表1。

板坯全行程跟蹤是板坯在熱軋庫內(nèi)的宏跟蹤，功能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)依靠板坯精準(zhǔn)定。

4結(jié)語

（1）通過推導(dǎo)，可以得出最終溫度預(yù)測(cè)計(jì)算公式模型為：

Tcal = Tcurrent + △Tht_i - △Tinput - △TAr - △Tladle

（2）本模型綜合考慮了各種影響LF精煉爐鋼水溫度的因素，包括：鋼包包況、底吹氬氣流量、電極升溫狀況、合金和喂絲投料等，經(jīng)過實(shí)際投入使用，通過對(duì)這些因素的多重驗(yàn)證，最終能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)計(jì)算出鋼水實(shí)際溫度，從而對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行有效指導(dǎo)，本模型能夠保證LF精煉爐的鋼水溫度的預(yù)測(cè)誤差在±10℃之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]王靜，魏艷龍，湯海明，等.LF精煉工藝優(yōu)化[J].河北冶金，2016（9）：51-54

[2]趙永勝，呂明燁，王炳玉，等.降低LF精煉成本的生產(chǎn)實(shí)踐[J].河北冶金，2014（5）：27-28.

收稿日期：2020-02-23

作者簡介：翟秋菊（1972—），女，河北唐山人，本科，工程師，研究方向：自動(dòng)化和智能化研發(fā)調(diào)試。

Development and Application of Temperature Prediction Control Model for LF Furnace

ZHAI Qiu-ju

（Tangshan Iron and Steel Group WILL Automation Co.， Ltd.，TangShan HeBei? 063000）

Abstract： In view of the complex transient of heat transfer in the process of refining furnace treatment， each problem is decomposed one by one to simplify the control processing logic. This paper introduces various factors affecting the temperature change of molten steel in the refining furnace， establishes a set of predictive control model of molten steel temperature， and compiles a computer model software. The error is controlled at ± 10 ℃， which can fully meet the actual production demand.

Key? words： molten steel temperature; temperature model; material input